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La simulación por computador en investigación y desarrollo

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e-creaciones<br />

<strong>La</strong> <strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong><br />

<strong>en</strong> <strong>investigación</strong> y <strong>desarrollo</strong><br />

Computer simulation in research and developm<strong>en</strong>t<br />

JULIO ENRIQUE DUARTE<br />

Lic<strong>en</strong>ciado <strong>en</strong> Física y Magíster <strong>en</strong> Física, Universidad Industrial de Santander. Doctor<br />

<strong>en</strong> Física, Universidad de Barcelona, doc<strong>en</strong>te Universidad Pedagógica y Tecnológica de<br />

Colombia Titular, Sede Duitama, Grupo de Energía y Aplicación de Nuevas Tecnologías<br />

(GEANT).<br />

julio<strong>en</strong>riqueduarte@latinmail.com<br />

FLAVIO HUMBERTO FERNÁNDEZ MORALES<br />

Ing<strong>en</strong>iero Electrónico, Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Doctor <strong>en</strong><br />

Ing<strong>en</strong>iería Electrónica, Universidad de Barcelona. Doc<strong>en</strong>te Universidad Pedagógica<br />

y Tecnológica de Colombia, Sede Duitama, categoría Asociado. Investigador Grupo<br />

de Energía y Aplicación de Nuevas Tecnologías (GEANT).<br />

flaviofm@telecom.com.co<br />

Clasificación del artículo: reflexión<br />

echa de recepción: diciembre13 de 2005 echa de aceptación: junio 27 de 2005<br />

Palabras clave: método de los elem<strong>en</strong>tos finitos, modelado, <strong>simulación</strong>.<br />

Key words: finite elem<strong>en</strong>t method, modeling, simulation.<br />

R ESUMEN<br />

En el pres<strong>en</strong>te trabajo se ilustra la im<strong>por</strong>tancia de<br />

la <strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong>, <strong>en</strong> especial del<br />

método de los elem<strong>en</strong>tos finitos (MEF) como una<br />

alternativa de interés para la <strong>investigación</strong> <strong>en</strong> áreas<br />

como electricidad, mecánica, electrónica, biología<br />

y medicina, <strong>en</strong>tre otras. Por su versatilidad, esta<br />

clase de herrami<strong>en</strong>tas es fundam<strong>en</strong>tal <strong>en</strong> la<br />

<strong>investigación</strong> de diversos f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os físicos, <strong>en</strong> el<br />

<strong>desarrollo</strong> de procesos productivos y <strong>en</strong> el estudio<br />

de dispositivos, modelos y sistemas, ya que permit<strong>en</strong><br />

g<strong>en</strong>erar conocimi<strong>en</strong>to de punta <strong>en</strong> forma efici<strong>en</strong>te<br />

y a costos reducidos. Por tratarse de herrami<strong>en</strong>tas<br />

'transversales', esto es, que pued<strong>en</strong> ser utilizadas<br />

<strong>por</strong> diversas disciplinas, los programas de <strong>simulación</strong><br />

adquier<strong>en</strong> una <strong>en</strong>orme im<strong>por</strong>tancia y deb<strong>en</strong> t<strong>en</strong>erse<br />

<strong>en</strong> cu<strong>en</strong>ta a la hora de plantear currículos<br />

actualizados y con un gran cont<strong>en</strong>ido investigativo<br />

que facilit<strong>en</strong> al egresado su ejercicio profesional.<br />

A BSTRACT<br />

This paper shows the im<strong>por</strong>tance of computer<br />

simulation; specially it permit to acquire knowledge<br />

of the Method of Finite Elem<strong>en</strong>ts (FEM) like<br />

interesting alternative for researching in areas such<br />

as electricity, mechanics, electronics, biology and<br />

medicine, among others. Giv<strong>en</strong> its versatility, this<br />

106 Tecnura año 8 No.16 primer semestre de 2005


e-creaciones<br />

type of tools is fundam<strong>en</strong>tal for researching diverse<br />

physical ph<strong>en</strong>om<strong>en</strong>a, developm<strong>en</strong>t of productive<br />

processes and study of devices, models and systems;<br />

they allow g<strong>en</strong>erating knowledge in effici<strong>en</strong>t form<br />

and reduced costs. Like transversal tools, that is to<br />

say that can be used by diverse disciplines, simulation<br />

programs acquire an <strong>en</strong>ormous im<strong>por</strong>tance and are<br />

considered at the time of raising updated curricula<br />

and with a great investigative cont<strong>en</strong>t; they facilitate<br />

to withdraw its professional exercise.<br />

******<br />

1. Introducción<br />

En forma g<strong>en</strong>eral, la <strong>simulación</strong> puede <strong>en</strong>t<strong>en</strong>derse<br />

como la utilización del <strong>computador</strong> para la<br />

reproducción aproximada y el estudio de un<br />

f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o (físico, químico, biológico, económico,<br />

sicológico, sociológico, etc.) (Wachutka, 1994). Su<br />

principal objetivo es obt<strong>en</strong>er mayor información y<br />

<strong>en</strong>t<strong>en</strong>dimi<strong>en</strong>to acerca de la respuesta y evolución<br />

de un sistema físico bajo ciertas condiciones<br />

impuestas: cargas, condiciones de contorno y<br />

condiciones iniciales. Esta información será útil <strong>en</strong><br />

el proceso de toma de decisiones para optimizar<br />

prototipos, puesto que permite conocer y estudiar<br />

las variables que participan <strong>en</strong> un f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o y<br />

establecer su influ<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> un determinado diseño<br />

sin necesidad de construir el objeto bajo estudio.<br />

Pese a que las herrami<strong>en</strong>tas de <strong>simulación</strong> <strong>por</strong><br />

<strong>computador</strong> ti<strong>en</strong><strong>en</strong> una historia relativam<strong>en</strong>te<br />

reci<strong>en</strong>te, se basan <strong>en</strong> técnicas matemáticas<br />

desarrolladas tiempo atrás y que sólo pudieron ser<br />

puestas <strong>en</strong> práctica gracias a la aparición de<br />

máquinas con gran capacidad de memoria y elevada<br />

velocidad de procesami<strong>en</strong>to. Dicho <strong>en</strong> forma s<strong>en</strong>cilla,<br />

el <strong>computador</strong> resuelve una serie de ecuaciones<br />

conocidas que se utilizan para calcular las variables<br />

que describ<strong>en</strong> los f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os físicos involucrados.<br />

Por ejemplo, <strong>en</strong> el campo de la Dinámica<br />

Computacional de Fluidos (CFD, <strong>por</strong> su sigla <strong>en</strong><br />

inglés) estas variables son la velocidad y la presión<br />

de la corri<strong>en</strong>te de aire (o líquido) que fluye alrededor<br />

del objeto que se estudia. <strong>La</strong>s ecuaciones empleadas<br />

para la solución de este problema fueron descubiertas<br />

hace más de 150 años <strong>por</strong> el ing<strong>en</strong>iero francés Claude<br />

Navier y el matemático irlandés George Stokes; son<br />

las ecuaciones de Navier-Stokes, así d<strong>en</strong>ominadas<br />

<strong>en</strong> su honor, que se derivan directam<strong>en</strong>te de las leyes<br />

del movimi<strong>en</strong>to de Newton (Morn y Kim, 1997).<br />

Como es concebida actualm<strong>en</strong>te, la <strong>simulación</strong> <strong>por</strong><br />

<strong>computador</strong> com<strong>en</strong>zó a mediados de los años set<strong>en</strong>ta.<br />

Durante este periodo su <strong>desarrollo</strong> y aplicación fueron<br />

liderados <strong>por</strong> los procesos de <strong>investigación</strong> <strong>en</strong><br />

ing<strong>en</strong>iería aeronáutica; <strong>en</strong> esta área del conocimi<strong>en</strong>to<br />

trabajaron los pioneros <strong>en</strong> el <strong>desarrollo</strong> y mejora de<br />

los métodos de análisis numérico.<br />

Para llevar a cabo una <strong>simulación</strong> se requier<strong>en</strong> tres<br />

compon<strong>en</strong>tes básicos. El primero es la base teórica<br />

que permite formular el problema <strong>por</strong> resolver <strong>en</strong><br />

función de modelos que permitan hacer un análisis<br />

matemático y <strong>en</strong>t<strong>en</strong>der el problema desde una<br />

perspectiva abstracta. En modelos reales, este<br />

compon<strong>en</strong>te dejará observar aspectos cuantitativos<br />

del problema pero difícilm<strong>en</strong>te, excepto <strong>en</strong> casos<br />

s<strong>en</strong>cillos, pro<strong>por</strong>cionará los resultados cualitativos<br />

que se esperan. Es <strong>por</strong> esto que las herrami<strong>en</strong>tas<br />

de cálculo numérico son de gran ayuda.<br />

El segundo compon<strong>en</strong>te son los algoritmos que<br />

facilitan desarrollar una secu<strong>en</strong>cia de pasos lógicos<br />

que serán ejecutados <strong>por</strong> el <strong>computador</strong> para la<br />

solución del modelo y el estudio más minucioso del<br />

problema. Finalm<strong>en</strong>te, el conocimi<strong>en</strong>to de l<strong>en</strong>guajes<br />

y técnicas de programación permitirá efectuar las<br />

simulaciones y, a partir de sus resultados, iniciar un<br />

proceso iterativo para perfeccionar el modelo a<br />

medida que se descubr<strong>en</strong> nuevos aspectos del<br />

problema real.<br />

El objetivo del pres<strong>en</strong>te artículo es el de ilustrar las<br />

posibilidades del método de los elem<strong>en</strong>tos finitos<br />

(MEF), como una alternativa para la solución de<br />

<strong>La</strong> <strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong> <strong>en</strong> <strong>investigación</strong> y <strong>desarrollo</strong><br />

JULIO ENRIQUE DUARTE / FLAVIO HUMBERTO FERNÁNDEZ MORALES<br />

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problemas <strong>en</strong> ci<strong>en</strong>cias e ing<strong>en</strong>iería que involucran<br />

diversos dominios físicos. En este contexto se pres<strong>en</strong>ta<br />

una descripción cualitativa acerca del MEF,<br />

junto con algunos ejemplos de aplicación <strong>en</strong> microsistemas<br />

y medicina. Igualm<strong>en</strong>te, se describ<strong>en</strong> los<br />

elem<strong>en</strong>tos básicos a t<strong>en</strong>er <strong>en</strong> cu<strong>en</strong>ta a la hora de<br />

utilizar los métodos de cálculo numérico <strong>en</strong> la solución<br />

de problemas físicos. De otra parte, se hace<br />

una m<strong>en</strong>ción de las v<strong>en</strong>tajas y desv<strong>en</strong>tajas del MEF<br />

y, finalm<strong>en</strong>te, se dan algunas conclusiones y recom<strong>en</strong>daciones<br />

sobre el tema.<br />

2. El cálculo numérico de problemas<br />

físicos<br />

2.1 Problemas físicos y discretización<br />

Un problema a nivel físico es aquel <strong>en</strong> el cual<br />

intervi<strong>en</strong><strong>en</strong> uno o varios dominios físicos, como <strong>por</strong><br />

ejemplo, el térmico, el fluídico, el mecánico o el<br />

electromagnético. <strong>La</strong> solución de este tipo de<br />

problemas se caracteriza <strong>por</strong> establecer las ecuaciones<br />

que relacionan las variables de interés y para ello se<br />

apela a principios de física e ing<strong>en</strong>iería bi<strong>en</strong> conocidos,<br />

<strong>en</strong>tre los cuales pued<strong>en</strong> m<strong>en</strong>cionarse: equilibrio,<br />

segunda ley de Newton, leyes de conservación,<br />

termodinámica y ecuaciones de Maxwell. <strong>La</strong>s<br />

dificultades que se pres<strong>en</strong>tan al formular el problema<br />

y resolver analíticam<strong>en</strong>te las ecuaciones matemáticas<br />

resultantes, normalm<strong>en</strong>te ecuaciones difer<strong>en</strong>ciales<br />

(algunas veces lineales y a m<strong>en</strong>udo parciales no<br />

lineales), son muy complejas y casi siempre imposibles<br />

de resolver. En la práctica, su solución se restringe a<br />

casos de geometrías s<strong>en</strong>cillas como cuadriláteros o<br />

esferas bajo condiciones de contorno muy simples.<br />

En vista de lo anterior, cuando el problema es muy<br />

complejo hay que recurrir a métodos numéricos para<br />

la resolución de las ecuaciones involucradas. Esta<br />

situación es típica cuando se estudian s<strong>en</strong>sores y<br />

actuadores fabricados <strong>en</strong> silicio, <strong>por</strong> ejemplo<br />

s<strong>en</strong>sores de presión o de flujo y microespejos<br />

(Walker, 2000); los anteriores son dispositivos cuya<br />

estructura conti<strong>en</strong>e múltiples compon<strong>en</strong>tes, con<br />

<strong>en</strong>capsulados complejos y la exist<strong>en</strong>cia de varios<br />

procesos físicos <strong>en</strong> un mismo dominio o distintos<br />

pero colindantes, situaciones <strong>en</strong> las cuales es<br />

necesario hacer el análisis de f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os acoplados.<br />

El problema principal del modelado de un sistema,<br />

es la cantidad de grados de libertad (GdL)<br />

requeridos para su descripción, los cuales pued<strong>en</strong><br />

conducir a tiempos de cálculo considerable. Uno<br />

de los puntos clave <strong>en</strong> el <strong>desarrollo</strong> de modelos a<br />

este nivel es saber fraccionar el sistema, establecer<br />

las condiciones de contorno y saber cómo se acoplan<br />

<strong>en</strong>tre sí; una mala elección <strong>en</strong> este proceso conducirá<br />

a un análisis erróneo (Funk, 1995). <strong>La</strong> idea final de<br />

la <strong>simulación</strong> física es obt<strong>en</strong>er, mediante de un<br />

conjunto mínimo de parámetros (GdL), la descripción<br />

más fiel posible del sistema, <strong>en</strong> la cual se reflej<strong>en</strong><br />

aspectos tan im<strong>por</strong>tantes como las no linealidades<br />

y los acoplami<strong>en</strong>tos.<br />

Lo anterior se puede conseguir <strong>por</strong> medio de la<br />

discretización, proceso <strong>en</strong> el cual se requiere del<br />

paso de un modelo continuo a uno discreto, como<br />

se ilustra <strong>en</strong> la figura 1.<br />

Figura 1. Discretización de un dominio continuo<br />

Si L se define como el operador difer<strong>en</strong>cial que<br />

describe el sistema, v como los grados de libertad<br />

que constituy<strong>en</strong> el campo, asociados a cada punto<br />

del espacio y f como las fu<strong>en</strong>tes del sistema o cargas,<br />

el modelo matemático quedará descrito de la<br />

sigui<strong>en</strong>te manera (Zi<strong>en</strong>kiewicz y Taylor, 1994):<br />

→<br />

→<br />

Lv( x) = f( x)<br />

∀x∈ Ω<br />

(1)<br />

→ →<br />

v( x) = g( x) ∀x ∈Γ c. c.<br />

de Dirichilet<br />

→<br />

Discretización<br />

1<br />

∂ v( x)<br />

→<br />

= g( x) ∀x ∈Γ2<br />

c. c.<br />

de Newmann<br />

→<br />

∂ n<br />

108 Tecnura año 8 No.16 primer semestre de 2005


e-creaciones<br />

En (1), Ω es el dominio del modelo y Γ 1<br />

y Γ 2<br />

son<br />

particiones disjuntas de la frontera del dominio;<br />

también puede definirse otro tipo de condiciones de<br />

contorno, de acuerdo con la naturaleza del<br />

problema. Dado que cada punto del espacio ti<strong>en</strong>e<br />

un conjunto de GdL, la repres<strong>en</strong>tación de este<br />

modelo conti<strong>en</strong>e infinitos GdL; de todos ellos sólo<br />

se conoc<strong>en</strong> los de las condiciones de frontera. <strong>La</strong>s<br />

fu<strong>en</strong>tes de los campos f actuarán de tal forma que<br />

se establezca un equilibrio <strong>en</strong> el sistema o condición<br />

de mínima <strong>en</strong>ergía.<br />

Los difer<strong>en</strong>tes métodos numéricos buscan reducir<br />

el número de GdL de una forma óptima, sin perder<br />

información acerca del sistema. Una idea intuitiva,<br />

aplicable a cualquier método, es que si se obti<strong>en</strong>e<br />

la solución exacta <strong>en</strong> un punto del espacio, ésta no<br />

diferirá excesivam<strong>en</strong>te de la de otro punto<br />

sufici<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te cercano; es decir, que conoci<strong>en</strong>do<br />

la solución <strong>en</strong> un número discreto de puntos del<br />

dominio, bastará con realizar una interpolación para<br />

obt<strong>en</strong>er una bu<strong>en</strong>a aproximación a la solución real.<br />

<strong>La</strong> forma como se desarrolla esta idea conduce a<br />

los difer<strong>en</strong>tes métodos numéricos exist<strong>en</strong>tes.<br />

En últimas, el objetivo es discretizar el problema,<br />

calcular la solución <strong>en</strong> los puntos donde se ha<br />

definido el dominio discreto, llamados nodos, y<br />

realizar una interpolación de dicha solución para<br />

cualquier otro punto. <strong>La</strong> interpolación se realiza <strong>en</strong><br />

un dominio definido <strong>por</strong> varios nodos vecinos y es<br />

lo que constituye el 'elem<strong>en</strong>to'. Al conjunto de nodos<br />

y elem<strong>en</strong>tos se le d<strong>en</strong>omina malla.<br />

2.2 El MEF y otros métodos de <strong>simulación</strong><br />

Uno de los métodos más populares para el cálculo<br />

numérico de ecuaciones difer<strong>en</strong>ciales e integrales<br />

es el d<strong>en</strong>ominado "método de los elem<strong>en</strong>tos finitos"<br />

(MEF), el cual se aplica a distintos dominios<br />

<strong>en</strong>ergéticos: mecánico, transfer<strong>en</strong>cia de calor,<br />

fluidos y electromagnetismo, <strong>en</strong>tre otros.<br />

Adicionalm<strong>en</strong>te, puede utilizarse <strong>en</strong> el estudio de<br />

f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os acoplados como la piezoelectricidad y<br />

los efectos termo-mecánicos (Angulo et al., 1995).<br />

Básicam<strong>en</strong>te, el método consiste <strong>en</strong> la subdivisión<br />

de un medio continuo <strong>en</strong> elem<strong>en</strong>tos discretos<br />

compuestos <strong>por</strong> nodos, es decir, <strong>por</strong> puntos a través<br />

de los cuales se un<strong>en</strong> los distintos elem<strong>en</strong>tos; su<br />

respuesta se conoce a partir de los valores<br />

pro<strong>por</strong>cionados <strong>en</strong> tales nodos. <strong>La</strong> variable física <strong>por</strong><br />

calcular se interpola <strong>en</strong> todo el volum<strong>en</strong> mediante<br />

determinadas funciones, llamadas "funciones de<br />

forma", a partir de los valores nodales. Se establece<br />

<strong>en</strong>tonces un sistema de valores nodales que equilibr<strong>en</strong><br />

todas las cargas aplicadas al dominio. <strong>La</strong> solución de<br />

este sistema permitirá determinar los valores del<br />

parámetro físico de interés <strong>en</strong> cada nodo. El MEF<br />

se puede <strong>en</strong>t<strong>en</strong>der como un método para <strong>en</strong>contrar<br />

una solución aproximada de un modelo simplificado.<br />

Comparado con otros métodos de cálculo, la v<strong>en</strong>taja<br />

principal del MEF es la g<strong>en</strong>eralidad del proceso, lo<br />

cual hace que su uso sea posible <strong>en</strong> multitud de<br />

problemas. Además, el <strong>en</strong>mallado g<strong>en</strong>erado puede<br />

ajustarse a las necesidades del problema reduci<strong>en</strong>do<br />

su d<strong>en</strong>sidad cuando no se obti<strong>en</strong><strong>en</strong> variaciones<br />

im<strong>por</strong>tantes de las variables indep<strong>en</strong>di<strong>en</strong>tes; de esta<br />

forma puede mejorarse la precisión del cálculo. No<br />

obstante, su gran problema son las <strong>en</strong>ormes matrices<br />

que se g<strong>en</strong>eran, incluso <strong>en</strong> geometrías no muy<br />

complejas, lo que exige un tiempo de cálculo que <strong>en</strong><br />

muchas ocasiones puede ser excesivam<strong>en</strong>te alto.<br />

En la práctica, los programas comerciales que<br />

utilizan un simulador a nivel físico basado <strong>en</strong> el<br />

método MEF son muchos; <strong>en</strong>tre ellos cabe<br />

m<strong>en</strong>cionar: ANSYS para análisis multidominio<br />

(Swanson Analysis Systems Inc.); MARC para<br />

análisis multidominio (MARC Analysis Research<br />

Cor<strong>por</strong>ation); ABAQUS para análisis mecánico<br />

(Hibbitt, Karlsson & Sor<strong>en</strong>s<strong>en</strong> Inc.); y NASTRAN<br />

para análisis mecánico (MSC. Software<br />

Cor<strong>por</strong>ation).<br />

A parte del MEF, a nivel físico exist<strong>en</strong> otros métodos<br />

de cálculo numérico tales como:<br />

l<br />

BEM ("Boundary Elem<strong>en</strong>t Meted", o Método<br />

de los Elem<strong>en</strong>tos de Frontera): <strong>en</strong> él se resuelv<strong>en</strong><br />

las ecuaciones sobre valores nodales <strong>en</strong> los<br />

<strong>La</strong> <strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong> <strong>en</strong> <strong>investigación</strong> y <strong>desarrollo</strong><br />

JULIO ENRIQUE DUARTE / FLAVIO HUMBERTO FERNÁNDEZ MORALES<br />

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l<br />

l<br />

contornos del dominio; de esta forma se reduce<br />

una dim<strong>en</strong>sión <strong>en</strong> el problema. Una v<strong>en</strong>taja es<br />

que los cambios que se efectú<strong>en</strong> <strong>en</strong> el modelo<br />

pued<strong>en</strong> hacerse de forma rápida. Sin embargo,<br />

las matrices pres<strong>en</strong>tan un alto grado de<br />

asimetría, que hace que el tiempo total de cálculo<br />

sea comparable al requerido <strong>en</strong> el método MEF<br />

(Kythe, 1995). Un ejemplo de simuladores que<br />

utilizan este método es el BEASY<br />

(Computational Mechanics Inc.), que ha sido<br />

empleado para la <strong>simulación</strong> simultánea de<br />

problemas multidominio (<strong>La</strong>hrmann, 1995).<br />

FDM (´Finite Differ<strong>en</strong>ce Method' o Método<br />

de las Difer<strong>en</strong>cias Finitas): este método discretiza<br />

las variables indep<strong>en</strong>di<strong>en</strong>tes y sustituye las<br />

derivadas continuas de la ecuación <strong>en</strong> derivadas<br />

parciales <strong>por</strong> expresiones que conti<strong>en</strong><strong>en</strong><br />

difer<strong>en</strong>cias de la solución <strong>en</strong> los puntos discretos<br />

del mallado (Kolev, 1997). El método es fácil de<br />

implem<strong>en</strong>tar; sin embargo, uno de sus problemas<br />

es que requiere de una discretización regular, que<br />

limita así el ajuste adecuado del <strong>en</strong>mallado e<br />

impide <strong>en</strong> muchas ocasiones obt<strong>en</strong>er la precisión<br />

deseada (Mitchell, 1985).<br />

FVM ('Finite Volume Method' o Método de los<br />

Volúm<strong>en</strong>es Finitos): este método obliga a cumplir<br />

las leyes de conservación de manera local<br />

(<strong>en</strong> cada elem<strong>en</strong>to) y global (<strong>en</strong> todo el dominio).<br />

Sin embargo, para la discretización de las<br />

variables indep<strong>en</strong>di<strong>en</strong>tes utiliza una aproximación<br />

<strong>por</strong> difer<strong>en</strong>cias finitas, limitando la versatilidad<br />

<strong>en</strong> el <strong>en</strong>mallado de la estructura. Este<br />

método es especialm<strong>en</strong>te útil <strong>en</strong> el estudio de<br />

problemas fluídicos (S<strong>en</strong>turia, 1998).<br />

3. Algunas aplicaciones de la <strong>simulación</strong><br />

En este apartado se pres<strong>en</strong>tan algunos ejemplos que<br />

ilustran el pot<strong>en</strong>cial de los a<strong>por</strong>tes de la <strong>simulación</strong><br />

<strong>por</strong> <strong>computador</strong> <strong>en</strong> contribuir a la solución de un<br />

problema <strong>en</strong> física e ing<strong>en</strong>iería. Los problemas que<br />

se resuelv<strong>en</strong> mediante <strong>simulación</strong> compr<strong>en</strong>d<strong>en</strong> desde<br />

situaciones microscópicas hasta macroscópicas,<br />

como las ilustradas <strong>en</strong> las figuras 2 y 3. <strong>La</strong> figura 2<br />

muestra un acelerómetro torsional <strong>por</strong> efecto capacitivo<br />

fabricado <strong>en</strong> silicio, cuya estructura fue<br />

optimizada mediante de un análisis <strong>por</strong> el Método<br />

de los Elem<strong>en</strong>tos Finitos (MEF), que dio como resultado<br />

la implem<strong>en</strong>tación de agujeros <strong>en</strong> el electrodo<br />

móvil para reducir el efecto amortiguador del<br />

aire circundante.<br />

Figura 2. Acelerómetro p<strong>en</strong>dular de 1.000 µm de largo, 500<br />

mm de ancho y 10 mm de grosor. Los agujeros sirv<strong>en</strong> para<br />

reducir los efectos de amortiguación o "camping" del aire<br />

(Fernández, 2000)<br />

<strong>La</strong> figura 3 pres<strong>en</strong>ta el modelo computarizado de<br />

un fémur para el estudio, diseño e implem<strong>en</strong>tación<br />

de un implante de cadera. En este tipo de aplicaciones<br />

biomecánicas, es posible conocer la distribución<br />

de esfuerzos <strong>en</strong> el hueso y <strong>en</strong> el material de<br />

la prótesis, así como optimizar la posición del implante<br />

de manera que se pueda garantizar el éxito<br />

de la interv<strong>en</strong>ción quirúrgica.<br />

Figura 3. Modelo MEF de un fémur g<strong>en</strong>erado a partir de<br />

imág<strong>en</strong>es de tomografía computarizada (Vander Slot<strong>en</strong> et al.,<br />

1999)<br />

110 Tecnura año 8 No.16 primer semestre de 2005


e-creaciones<br />

<strong>La</strong> figura 4 pres<strong>en</strong>ta el modelo propuesto para una<br />

membrana de silicio actuada termo-ópticam<strong>en</strong>te.<br />

Vale decir que, debido a las excel<strong>en</strong>tes propiedades<br />

mecánicas del silicio (Si) y al ext<strong>en</strong>so uso de su<br />

tecnología, se han realizado muchos esfuerzos <strong>en</strong><br />

la aplicación de membranas de (Si) como actuadores<br />

<strong>en</strong> microsistemas. El principio termo-óptico es<br />

especialm<strong>en</strong>te v<strong>en</strong>tajoso <strong>en</strong> situaciones <strong>en</strong> las cuales<br />

se deb<strong>en</strong> evitar las interfer<strong>en</strong>cias eléctricas o<br />

un excesivo cal<strong>en</strong>tami<strong>en</strong>to.<br />

Figura 5. a) Distribución de la temperatura <strong>en</strong> la<br />

microestructura;<br />

Figura 4. Modelo para estudiar el principio de actuación<br />

termo-óptico. Se muestra un cuarto de la membrana y la<br />

cavidad de actuación. <strong>La</strong> fibra óptica trans<strong>por</strong>ta la <strong>en</strong>ergía<br />

luminosa requerida para efectuar el cal<strong>en</strong>tami<strong>en</strong>to del aire, el<br />

cual, a su turno, induce el increm<strong>en</strong>to de presión que causa la<br />

deflexión de la membrana. <strong>La</strong> fibra óptica está incrustada <strong>en</strong><br />

un bloque (bulk) de Si de 200 µm de grosor. <strong>La</strong> cavidad de<br />

actuación donde está <strong>en</strong>cerrado el aire es de 250 µm de alto.<br />

<strong>La</strong> membrana es cuadrada y su lado ti<strong>en</strong>e 800 µm de<br />

longitud.<br />

Figura 5. b) compon<strong>en</strong>te vertical de la deflexión extraída del<br />

análisis acoplado termo-mecánico.<br />

Para el modelado de la microestructura se escogió<br />

el programa ANSYS basado <strong>en</strong> el método de elem<strong>en</strong>tos<br />

finitos. Por las características de simetría<br />

de la estructura sólo se requiere la <strong>simulación</strong> de<br />

un cuarto del sistema; esto es sufici<strong>en</strong>te para obt<strong>en</strong>er<br />

la información completa del com<strong>por</strong>tami<strong>en</strong>to de<br />

la membrana, con la consigui<strong>en</strong>te reducción <strong>en</strong> el<br />

tiempo de cálculo. En este caso, y debido a las particularidades<br />

del problema, se llevó a cabo un análisis<br />

acoplado termo-mecánico <strong>en</strong> tres dim<strong>en</strong>siones.<br />

Los resultados se obtuvieron considerando un haz<br />

láser con pot<strong>en</strong>cia de 10 mW.<br />

<strong>La</strong> figura 5a muestra la distribución de temperatura<br />

<strong>en</strong> la cavidad de actuación, derivada de la <strong>simulación</strong><br />

térmica estática. <strong>La</strong> temperatura más alta<br />

aparece <strong>en</strong> el punto <strong>en</strong> que el haz láser cae sobre la<br />

estructura y decrece hacia el cuerpo o bulk de Si<br />

con una variación total de 50 ºK. Los resultados del<br />

análisis térmico son usados como carga para la <strong>simulación</strong><br />

mecánica, la cual determina la distribución<br />

de deflexiones <strong>en</strong> la microestructura, como<br />

puede verse <strong>en</strong> la figura 5b. Como era de esperar-<br />

<strong>La</strong> <strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong> <strong>en</strong> <strong>investigación</strong> y <strong>desarrollo</strong><br />

JULIO ENRIQUE DUARTE / FLAVIO HUMBERTO FERNÁNDEZ MORALES<br />

111


e-creaciones<br />

se, el punto de máxima deflexión se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra <strong>en</strong><br />

el c<strong>en</strong>tro de la membrana (Duarte et al., 1998).<br />

4. Elem<strong>en</strong>tos requeridos para realizar una<br />

<strong>simulación</strong><br />

Exist<strong>en</strong> tres elem<strong>en</strong>tos im<strong>por</strong>tantes <strong>en</strong> la obt<strong>en</strong>ción<br />

de resultados útiles a partir de una <strong>simulación</strong>.<br />

4.1 Modelo matemático<br />

Consiste <strong>en</strong> una repres<strong>en</strong>tación idealizada de la realidad.<br />

Para su elaboración se ti<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>en</strong> cu<strong>en</strong>ta el<br />

propósito final de la modelación del proceso o sistema<br />

físico, las variables conocidas acerca de él y<br />

las consideradas im<strong>por</strong>tantes. Entre los datos que<br />

deb<strong>en</strong> conocerse del modelo se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran las propiedades<br />

de los materiales, las propiedades geométricas<br />

(configuración física) y las condiciones de<br />

operación (iniciales y de contorno).<br />

Dada la complejidad de las aplicaciones reales, <strong>en</strong><br />

diversas ocasiones es necesario recurrir a la experi<strong>en</strong>cia<br />

y a la intuición para plantear un modelo<br />

reducido que, sin perder fiabilidad, se adapte a las<br />

limitaciones del sistema computacional disponible. En<br />

otras palabras, es necesario reducir el número de<br />

variables y parámetros considerados para que la solución<br />

pueda ser obt<strong>en</strong>ida <strong>en</strong> un tiempo razonable.<br />

desea emplear. Por ejemplo, para simular el funcionami<strong>en</strong>to<br />

de una planta termonuclear hará falta<br />

un super<strong>computador</strong> con la capacidad sufici<strong>en</strong>te<br />

para manejar el número de variables involucrado;<br />

<strong>por</strong> su parte, con un PC simple bastará para estudiar<br />

los <strong>en</strong>granajes de una máquina.<br />

En g<strong>en</strong>eral puede decirse que hoy día el hardware<br />

impone muy pocas restricciones a los modelos que<br />

se pued<strong>en</strong> simular; <strong>en</strong> el futuro, la próxima g<strong>en</strong>eración<br />

de <strong>computador</strong>es hará que estas limitaciones<br />

desaparezcan casi <strong>por</strong> completo.<br />

4.3 Software<br />

Anteriorm<strong>en</strong>te la programación de los modelos se<br />

llevaba a cabo <strong>en</strong> forma 'artesanal' <strong>por</strong> especialistas<br />

<strong>en</strong> el área, y existían grandes dificultades para<br />

resolver las partes críticas del diseño; el término<br />

"artesanal" hace refer<strong>en</strong>cia a que para cada problema<br />

se desarrollaba un algoritmo específico y no<br />

existía una metodología g<strong>en</strong>eral que permitiera la<br />

reutilización del código g<strong>en</strong>erado.<br />

Como se observa <strong>en</strong> la tabla 1, hoy día la g<strong>en</strong>eración<br />

del modelo es una operación que requiere muy<br />

poco tiempo y es hecha <strong>por</strong> personal que no necesariam<strong>en</strong>te<br />

es experto <strong>en</strong> modelado matemático ni<br />

<strong>en</strong> el área de aplicación.<br />

4.2 Hardware<br />

En el pasado existían grandes limitaciones <strong>en</strong> cuanto<br />

a capacidad de memoria, velocidad de proceso y<br />

flexibilidad <strong>en</strong> la programación de computación;<br />

además, incidía el costo excesivo de los equipos<br />

requeridos y la poca disponibilidad de personal calificado.<br />

Gracias avances <strong>en</strong> la microelectrónica,<br />

hoy se dispone de equipos de bajo costo que superan<br />

con creces las características de sus predecesores;<br />

asimismo, la línea que separaba a los <strong>computador</strong>es<br />

personales (PCs) de las estaciones<br />

de trabajo (workstation) y de los grandes <strong>computador</strong>es<br />

(mainframes) se hace cada vez más difusa.<br />

<strong>La</strong> capacidad de memoria y el costo de la máquina<br />

aum<strong>en</strong>tan <strong>en</strong> función del tipo de aplicación que se<br />

Tabla 1. Evolución del tiempo de <strong>desarrollo</strong> de un modelo de<br />

<strong>simulación</strong><br />

En el futuro será posible diseñar aplicaciones basadas<br />

<strong>en</strong> módulos de propósito g<strong>en</strong>eral y los paquetes<br />

de software serán mas 'intelig<strong>en</strong>tes', y ejecutarían<br />

muchas de las operaciones que hoy realiza el usuario.<br />

Igualm<strong>en</strong>te, se están desarrollando interfaces<br />

que part<strong>en</strong> de la base de la interoperabilidad; esto<br />

112 Tecnura año 8 No.16 primer semestre de 2005


e-creaciones<br />

significa que los programas de tipo CAD/CAM/<br />

CAE podrán compartir información sin problema<br />

alguno.<br />

5. V<strong>en</strong>tajas y desv<strong>en</strong>tajas de la <strong>simulación</strong><br />

Como se ha m<strong>en</strong>cionado, se hac<strong>en</strong> simulaciones<br />

<strong>por</strong> <strong>computador</strong> con el propósito de obt<strong>en</strong>er el mayor<br />

conocimi<strong>en</strong>to posible sobre un proceso o sistema,<br />

empleando un modelo matemático que reúna<br />

las principales variables que intervi<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>en</strong> él, resuelto<br />

<strong>por</strong> un <strong>computador</strong>.<br />

5.1 V<strong>en</strong>tajas<br />

l<br />

l<br />

l<br />

l<br />

l<br />

l<br />

l<br />

l<br />

Permite el estudio del sistema completo, indep<strong>en</strong>di<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te<br />

de su complejidad, sin necesidad<br />

de disponer de los compon<strong>en</strong>tes físicos.<br />

Permite el modelado físico completo; es decir,<br />

pued<strong>en</strong> estudiarse f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os térmicos, mecánicos,<br />

electromagnéticos y fluídicos.<br />

Permite hacer el análisis de efectos acoplados,<br />

así como estudios de no linealidad.<br />

Permite realizar análisis de s<strong>en</strong>sibilidad, es decir,<br />

estudiar el efecto de pequeñas variaciones<br />

de los parámetros y propiedades de los materiales<br />

sobre el com<strong>por</strong>tami<strong>en</strong>to del sistema.<br />

Posibilita la optimización de los parámetros de<br />

diseño y r<strong>en</strong>dimi<strong>en</strong>to del sistema, con base <strong>en</strong><br />

los criterios de diseño establecidos.<br />

Permite el estudio de variaciones probabilísticas<br />

y estadísticas del diseño.<br />

El grado de automatismo de los programas es<br />

cada día mayor, minimizando la interv<strong>en</strong>ción del<br />

usuario. Además, permite la interface con otros<br />

programas de diseño y manufactura muy difundidos<br />

<strong>en</strong> el ámbito industrial.<br />

<strong>La</strong> pres<strong>en</strong>tación gráfica de los resultados facilita<br />

bastante la compr<strong>en</strong>sión del problema y la<br />

optimización del objeto de estudio.<br />

Todo lo anterior unido al bajo costo de los programas<br />

y equipos de cómputo requeridos, convierte a<br />

las herrami<strong>en</strong>tas de <strong>simulación</strong> <strong>en</strong> elem<strong>en</strong>tos indisp<strong>en</strong>sables<br />

para la <strong>investigación</strong> y <strong>desarrollo</strong> de<br />

soluciones novedosas <strong>en</strong> temáticas interdisciplinarias,<br />

<strong>en</strong> las cuales sería muy difícil trabajar de otra<br />

manera.<br />

5.2 Desv<strong>en</strong>tajas<br />

Pese a las grandes bondades de la <strong>simulación</strong>, ésta<br />

debe emplearse con precaución, dado que pres<strong>en</strong>ta<br />

limitaciones propias de la metodología <strong>en</strong> la cual<br />

está basada. Como principales desv<strong>en</strong>tajas pued<strong>en</strong><br />

citarse las sigui<strong>en</strong>tes:<br />

l<br />

l<br />

l<br />

l<br />

<strong>La</strong> solución del problema implica elaborar un<br />

modelo simplificado <strong>en</strong> el cual pued<strong>en</strong> omitirse<br />

variables y parámetros im<strong>por</strong>tantes a la hora<br />

de evaluar el com<strong>por</strong>tami<strong>en</strong>to global del<br />

sistema.<br />

El resultado de una <strong>simulación</strong> es una<br />

aproximación a la realidad, sin embargo, la<br />

verificación o 'prueba de fuego' del modelo se<br />

obt<strong>en</strong>drá al comparar sus resultados con los del<br />

sistema o proceso real.<br />

El éxito del modelo será directam<strong>en</strong>te<br />

pro<strong>por</strong>cional al grado de conocimi<strong>en</strong>to del<br />

sistema, así como de los f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os que<br />

intervi<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>en</strong> él.<br />

Cuando la <strong>simulación</strong> no ha sido bi<strong>en</strong><br />

estructurada, puede convertirse <strong>en</strong> un proceso<br />

l<strong>en</strong>to y costoso.<br />

6. Conclusiones<br />

Para ser competitivos <strong>en</strong> cualquier área de la<br />

ci<strong>en</strong>cia y la tecnología de hoy es indisp<strong>en</strong>sable<br />

incor<strong>por</strong>ar, adoptar y adaptar las metodologías de<br />

<strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong> al campo específico<br />

de trabajo, con el propósito de obt<strong>en</strong>er un mejor<br />

r<strong>en</strong>dimi<strong>en</strong>to <strong>en</strong> el <strong>desarrollo</strong> profesional. No<br />

obstante, es necesario ser cuidadosos <strong>en</strong> el uso y<br />

evaluación de los resultados de las simulaciones,<br />

pues si bi<strong>en</strong> los programas disponibles <strong>en</strong> la<br />

actualidad son bastante 'intelig<strong>en</strong>tes', también están<br />

muy lejos de ser la panacea para resolver todos<br />

los problemas que plantean los avances<br />

tecnológicos <strong>en</strong> física e ing<strong>en</strong>iería.<br />

<strong>La</strong> <strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong> <strong>en</strong> <strong>investigación</strong> y <strong>desarrollo</strong><br />

JULIO ENRIQUE DUARTE / FLAVIO HUMBERTO FERNÁNDEZ MORALES<br />

113


e-creaciones<br />

El hecho de que la <strong>simulación</strong> sea una técnica aplicable<br />

a profesiones relacionadas con ci<strong>en</strong>cias<br />

biológicas y de la salud y <strong>en</strong> diversas áreas de la<br />

ing<strong>en</strong>iería (mecánica, eléctrica, electrónica, civil,<br />

metalúrgica, de vías y trans<strong>por</strong>tes, geológica y de<br />

petróleos <strong>en</strong>tre otras) la convierte <strong>en</strong> una im<strong>por</strong>tante<br />

temática de estudio <strong>en</strong> programas académicos<br />

de pregrado y posgrado, con excel<strong>en</strong>tes perspectivas<br />

académicas y de <strong>investigación</strong>.<br />

De otra parte, <strong>por</strong> tratarse de herrami<strong>en</strong>tas de bajo<br />

costo y gran versatilidad, se abr<strong>en</strong> grandes posibilidades<br />

de aplicación <strong>en</strong> investigaciones de primera<br />

línea, <strong>en</strong> especial <strong>en</strong> temáticas interdisciplinarias<br />

como la bioing<strong>en</strong>iería, <strong>en</strong> las cuales países<br />

como Colombia pued<strong>en</strong> competir con probabilidad<br />

de éxito.<br />

Por lo anterior, se considera que las universidades<br />

colombianas, laboratorios y c<strong>en</strong>tros de <strong>investigación</strong><br />

deb<strong>en</strong> tomar la decisión de incor<strong>por</strong>ar <strong>en</strong> sus<br />

currículos áreas temáticas relacionadas con métodos<br />

y herrami<strong>en</strong>tas para la <strong>simulación</strong> asistida <strong>por</strong><br />

<strong>computador</strong>; ello permitirá elevar la calidad <strong>en</strong> <strong>investigación</strong><br />

y <strong>desarrollo</strong> (I&D) de sus egresados y<br />

de las mismas instituciones.<br />

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114 Tecnura año 8 No.16 primer semestre de 2005

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